資源三號衛星境外高精度定位方法研究

劉楚斌，張永生，范大昭，雷　蓉

(信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450001)

LIU Chubin,ZHANG Yongsheng,FAN Dazhao,LEI Rong

資源三號衛星境外高精度定位方法研究

劉楚斌，張永生，范大昭，雷蓉

(信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450001)

Research on the Geometrical Positioning Evaluation of ZY-3 Satellite at Abroad

LIU Chubin,ZHANG Yongsheng,FAN Dazhao,LEI Rong

摘要：針對資源三號衛星境外高精度定位的實際需求，在缺乏境外地面控制點數據的情況下，采用美國華盛頓地區幾何定位精度較高的商業衛星WorldView影像作為控制數據對其進行系統誤差檢校和精度評價。試驗表明，資源三號衛星在美國華盛頓地區的平面精度約為16.702 m，高程精度約為2.435 m。在中心布設一個控制點剔除系統誤差后，可以顯著提高衛星的平面定位精度。

引文格式： 劉楚斌，張永生，范大昭，等. 資源三號衛星境外高精度定位方法研究[J].測繪通報，2015(9)：6-8.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0266

關鍵詞：資源三號；RPC模型；立體定位；區域網平差；精度；境外

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0006-03

收稿日期：2014-08-05

基金項目：國家自然科學基金(40901230)；對地觀測光學載荷高精度幾何定標技術研究子課題(2012AA12A302)

作者簡介：劉楚斌(1987—)，男，博士生，主要從事航空航天遙感高精度對地目標定位研究。E-mail:lcbwn@163.com

一、引言

高分辨率對地觀測衛星是對地遙感體系的重要組成部分，具有重要的商業價值和軍事價值。近年來，利用高分辨率遙感衛星影像進行高精度幾何定位、立體測圖和變化監測已成為國內外的研究熱點。同時，遙感衛星影像正越來越多地應用于攝影測量領域，空間分辨率達到亞米級的遙感立體影像已有能力替代傳統用于1∶50 000甚至更大比例尺地形圖測繪或地理信息更新的航空影像。在軍事上，為實現境外目標的檢測和高精度快速打擊，保障國土安全，更離不開高分辨率遙感衛星影像和高精度幾何定位能力的支持。從20世紀70年代至今約40年間，國外采用“軍、民、商”結合的模式發展高分辨率對地觀測衛星，實現了衛星影像分辨率和幾何定位精度的顯著提升。在無地面控制點條件下，國外部分商業衛星在2008年已可達到平面2.2 m、高程3.6 m的幾何定位精度。與國外相比，我國在影像分辨率和幾何定位能力方面均存在較大的差距。為此，2010年5月我國將高分辨率對地觀測系統科技重大專項作為國家中長期科技發展規劃綱要部署的16個科技重大專項之一，經國家批準后正式啟動實施，為我國高分辨率對地觀測系統的發展提供了歷史性機遇。

目前我國已經發射了天繪一號[1]和資源三號測繪衛星[2]。資源三號測繪衛星為我國民用三線陣高分辨率立體測繪衛星，主要搭載有一臺地面分辨率約為2.1 m的高分辨率正視全色延時積分成像相機，兩臺地面分辨率約為3.6 m的前視、后視全色延時積分成像相機[3]。資源三號測繪衛星集測繪和資源調查功能于一體，用于長期、連續、穩定和快速地獲取覆蓋全國的高分辨率立體影像、多光譜影像及相應的輔助數據，以及生產1∶5萬全國基礎地理信息測繪產品和開展1∶2.5萬及更大比例尺地圖的修測和更新[4]。

相比于航空攝影測量，衛星攝影測量的最大優勢是能實現對境外目標和全球范圍的測繪。為保證測繪產品的精度，一般需在全球范圍內建設不同的衛星幾何檢校場對測繪衛星進行幾何標定，并選取不同地區的控制數據進行定位精度驗證。但由于境外衛星幾何檢校場的建設相對困難且較為昂貴，地面控制點數據的獲取也較為困難，因而難以有效地提高和全面地反映衛星的幾何定位能力[5]。因此，在缺乏地面控制點數據的情況下，尋求其他控制數據以提高衛星影像的境外定位精度具有十分重要的意義。據此，本文提出一種采用國外幾何定位精度較高的商業衛星影像作為控制數據的方法，利用實際數據對衛星定位誤差進行標定。

二、成像幾何模型

衛星成像幾何模型的研究是遙感影像處理的核心內容，是遙感影像高精度幾何定位和幾何糾正的基礎[6]。只有建立衛星的成像幾何模型，才能夠反映地面點的三維空間坐標與相應像點影像坐標之間的幾何關系。一般的，衛星成像幾何模型可分為嚴格幾何模型和RPC模型。嚴格幾何模型能精確地恢復成像光線，實現精確幾何定位[7]。傳統上，一般采用嚴格幾何模型對衛星幾何精度進行處理，但由于嚴格幾何模型的構建需要傳感器成像時的信息，因而處理起來較為復雜。而RPC模型并不要求了解傳感器的實際特性和成像過程，處理起來較為方便，并可達到與嚴格幾何模型相當的定位精度。因此，為方便用戶使用，現一般提供給用戶使用的為RPC模型。

1. RPC模型

RPC模型的實質是有理函數模型[8-9]，其定義為

(1)

(2)

式中，(φ0,λ0,h0)為地面點坐標的標準化平移參數;(φs,λs,hs)為地面點坐標的標準化尺度參數。

2.RPC模型的立體定位

聯立式(1)、式(2)，可將像點坐標(l,s)表示為

(3)

式中

將式(3)按泰勒級數展開，求解地面點坐標(φ,λ,h)的誤差方程構建如下[15]

(4)

三、有理函數模型區域網平差

1. 考慮像方偏差的有理函數模型

考慮像方偏差的有理函數模型表達如下

(5)

式中，δl和δs表示像點坐標的偏差，可以表示為[16]

(6)

2. 有理函數模型區域網平差

將影像的像方偏差模型系數和連接點的地面坐標改正數作為未知數，利用區域網平差進行解算[17-18]。誤差方程式為

(7)

式中，X為連接點改正參數向量，A為相應的系數矩陣；T為像方偏差模型參數向量，B為相應的系數矩陣；V為改正數向量；L為觀測值向量。

四、試驗與分析

1. 試驗數據

在不同攝影模式下的WorldView衛星美國華盛頓地區影像上量測了24個點，利用RPC模型立體定位獲得其地面點坐標。根據WorldView影像上量測的24個點，在資源三號衛星美國華盛頓地區影像上相應地量測24個點，并將其作為控制點(如圖1所示)。

圖1　資源三號衛星華盛頓地區影像控制點分布圖

2. RPC系統誤差檢校

首先，在WorldView衛星和資源三號衛星華盛頓地區影像上選取24個同名點。然后利用WorldView衛星華盛頓地區影像的RPC文件進行前方交會，得出其影像上24個同名點的地面點坐標。在資源三號衛星華盛頓地區影像上相應地量取24個同名點作為控制點，其地面點坐標為對應的WorldView衛星影像同名點交會的地面點坐標。利用華盛頓地區的資源三號影像進行RPC模型區域網平差，求得RPC模型的系統誤差。結果統計見表1—表3。

表1　資源三號影像華盛頓地區直接定位精度　m

在境外控制點數據較難獲取的情況下，利用國際上的商業衛星影像(WorldView影像)作為控制數據，對資源三號境外幾何定位精度進行驗證。試驗結果表明，直接利用資源三號前視和后視影像進行前方交會的平面精度約為16.702 m，高程精度約為2.435 m。

表2　不同控制點數量平差后的直接定位精度　m

像方偏差模型為平移模型時，選取不同分布下的控制點，對資源三號影像進行RPC模型區域網平差。試驗結果表明，在中心布設一個控制點，可以顯著提高平面定位精度，平面精度約為3.368 m，高程精度基本無改善。隨著控制點個數的增加，精度提高不明顯。

表3　不同像方偏差模型下的定位精度統計(9GCP)　m

五、結束語

在境外控制點數據較為缺乏的情況下，為了對資源三號衛星的境外幾何定位誤差進行檢校和提高，采用了一種利用國外幾何定位精度較高的WorldView商業衛星影像作為控制數據進行精度評價的方法。試驗表明，與WorldView衛星定位精度相比較，資源三號衛星在美國華盛頓地區的平面相對精度約為16.702 m，高程相對精度約為2.435 m。選擇合理的平差數學模型和控制點分布進行平差后可以顯著地提高定位精度。

本試驗采用的是國外商業衛星WorldView衛星，其全色影像的地面分辨率為0.45 m，無控定位精度平面為12 m，高程為3 m(2007年)。為了進一步提高衛星的境外定位精度，下一步可采用無控制點條件下的幾何定位精度更高的商業衛星進行試驗。如GeoEye-1衛星無控定位精度平面為2.2 m，高程為3.6 m(2008年)。

同時，為了驗證本文方法的有效性，需進行更多地區的試驗，這也是下一步研究的重點。此外，本文的相關方法和結論也可為其他衛星境外幾何定位精度的驗證和提高提供一定的參考。

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